0.1.2  история компьютерной графики

Развитие компьютерной графики, особенно на ее начальных этапах, в первую очередь связано с развитием технических средств и в особенности дисплеев. Рассмотрение начнем с истории развития технологий вывода (векторные, растровые и иные дисплеи), затем приведем краткую хронологию становления дисплейной техники у нас в стране и в заключение рассмотрим этапы развития методов и приложений.

История технологий вывода

Произвольное сканирование луча. Дисплейная графика появилась как попытка использовать электроннолучевые трубки (ЭЛТ) с произвольным сканированием луча для вывода изображения из ЭВМ. Как пишет Ньюмен [1] "по-видимому, первой машиной, где ЭЛТ использовалась в качестве устройства вывода была ЭВМ Whirlwind-I (Ураган-I), изготовленная в 1950 г." в Массачусетском технологическом институте. С этого эксперимента начался этап развития векторных дисплеев (дисплеев с произвольным сканированием луча, каллиграфических дисплеев). На профессиональном жаргоне вектором называется отрезок прямой. Отсюда и происходит название "векторный дисплей".

При перемещении луча по экрану в точке, на которую попал луч, возбуждается свечение люминофора экрана. Это свечение достаточно быстро прекращается при перемещении луча в другую позицию (обычное время послесвечения - менее 0.1 с). Поэтому, для того чтобы изображение было постоянно видимым, приходится его перевыдавать (регенерировать изображение) 50 или 25 раз в секунду. Необходимость перевыдачи изображения требует сохранения его описания в специально выделенной памяти, называемой памятью регенерации. Само описание изображения называется дисплейным файлом. Понятно, что такой дисплей требует достаточно быстрого процессора для обработки дисплейного файла и управления перемещением луча по экрану.

Обычно серийные векторные дисплеи успевали 50 раз в секунду строить только около 3000-4000 отрезков. При большем числе отрезков изображение начинает мерцать, так как отрезки, построенные в начале очередного цикла, полностью погасают к тому моменту, когда будут строиться последние.

Другим недостатком векторных дисплеев является малое число градаций по яркости (обычно 2-4). Были разработаны, но не нашли широкого применения двух-трехцветные ЭЛТ, также обеспечивавшие несколько градаций яркости.

В векторных дисплеях легко стереть любой элемент изображения - достаточно при очередном цикле построения удалить стираемый элемент из дисплейного файла.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры. Косвенный графический диалог, как и во всех остальных дисплеях, осуществляется перемещением перекрестия (курсора) по экрану с помощью тех или иных средств управления перекрестием - координатных колес, управляющего рычага (джойстика), трекбола (шаровой рукоятки), планшета и т.д. Отличительной чертой векторных дисплеев является возможность непосредственного графического диалога, заключающаяся в простом указании с помощью светового пера объектов на экране (линий, символов и т.д.). Для этого достаточно с помощью фотодиода определить момент прорисовки (и следовательно начала свечения люминофора) любой части требуемого элемента.

Векторные дисплеи обычно подключаются к ЭВМ высокоскоростными каналами связи.

Первые серийные векторные дисплеи за рубежом появились в конце 60-х годов. В 1963 г. был разработан прототип дисплейной станции IBM 2250 (до осени 1964 г. работы были засекречены).

Подробному рассмотрению векторных дисплев посвящен разд. 0.8.

Растровое сканирование луча. Прогресс в технологии микроэлектроники привел к тому, с середины 70-х годов подавляющее распространение получили дисплеи с растровым сканированием луча. Подробному рассмотрению этих дисплеев посвящен разд. 0.9.

Запоминающие трубки. В конце 60-х годов появилась запоминающая ЭЛТ, которая способна достаточно длительное время (до часа) прямо на экране хранить построенное изображение. Следовательно, не обязательна память регенерации и не нужен быстрый процессор для выполнения регенерации изображения. Стирание на таком дисплее возможно только для всей картинки в целом. Сложность изображения практически не ограничена. Разрешение, достигнутое на дисплеях на запоминающей трубке, такое же как и на векторных или выше - до 4096 точек.

Текстовый диалог поддерживается с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры, косвенный графический диалог осуществляется перемещением перекрестия по экрану обычно с помощью координатных колес.

Такие дисплеи подключаются к ЭВМ низкоскоростными каналами связи (типа телефонных).

Появление таких дисплеев с одной стороны способствовало широкому распространению компьютерной графики, с другой стороны представляло собой определенный регресс, так как распространялась сравнительно низкокачественная и низкоскоростная, не слишком интерактивная графика. Более подробно о таких дисплеях см. в п. 0.10.1.

Плазменная панель. В 1966 г. была изобретена плазменная панель, которую упрощенно можно представить как матрицу из маленьких разноцветных неоновых лампочек, каждая из которых включается независимо и может светиться с регулируемой яркостью. Ясно, что системы отклонения не нужно, не обязательна также и память регенерации, так как по напряжению на лампочке можно всегда определить горит она ли нет, т.е. есть или нет изображение в данной точке. В определенном смысле эти дисплеи объединяют в себе многие полезные свойства векторных и растровых устройств. К недостаткам следует отнести большую стоимость, недостаточно высокое разрешение и большое напряжение питания. В целом эти дисплеи не нашли широкого распространения. Более подробно о них см. п. 0.10.2.

Жидкокристаллические индикаторы. Дисплеи на жидкокристаллических индикаторах работают аналогично индикаторам в электронных часах, но, конечно, изображение состоит не из нескольких сегментов, а из большого числа отдельно управляемых точек. Эти дисплеи имеют наименьшие габариты и энергопотребление, поэтому широко используются в портативных компьютерах несмотря на меньшее разрешение, меньшую контрастность и заметно большую цену, чем для растровых дисплеев на ЭЛТ. Более подробно о дисплеях на жидкокристаллических индикаторах см. п. 0.10.3.

Электролюминисцентные индикаторы. Наиболее высокие яркость, контрастность, рабочий температурный диапазон и прочность имеют дисплеи на электролюминисцентных индикаторах. Благодаря достижениям в технологии они стали доступны для применения не долько в дорогих высококлассных системах, но и в общепромышленных системах. Работа таких дисплеев основана на свечении люминофора под воздействим относительно высокого переменного напряжения, прикладываемого к взаимноперпендикулярным наборам электродов, между которыми находится люминофор. Более подробно о таких дисплеях см. п. 0.10.4.

Дисплеи с эмиссией полем. Дисплеи на электронно-лучевых трубках, несмотря на их относительную дешевизну и широкое распространение, механически непрочны, требуют высокого напряжения питания, потребляют большую мощность, имеют большие габариты и ограниченный срок службы, связанный с потерей эмиссии катодами. Одним из методов устранения указанных недостатков, является создание плоских дисплеев с эмиссией полем с холодных катодов в виде сильно заостренных микроигл. Более подробно о таких дисплеях см. п. 0.10.5.

Хронология некоторых отечественных разработок

В следующем ниже перечислении приведены далеко не все проведенные в стране разработки. К сожалению по многим из них у меня не было точной информации. Могу лишь упомянуть, что дисплеи разрабатывались в Новосибирске, Протвино, Ленинграде, Москве, Зеленограде, Воронеже, Львове, Виннице, Минске (ИТК АН БССР), Киеве и, конечно, во многих других. Одним из первых векторных дисплеев был дисплей УПГИ, серийно выпускавшийся для комплектации АРМ машиностроительного направления. Для автоматизации проектирования печатных плат и простого цветного вывода использовался дисплей ЦРД (цветной растровый дисплей). Вероятно первой законченной конструкторской проработкой векторного дисплея был "экран динамического вывода", выполненный в начале 60-х годов.

 1968, ВЦ АН СССР, машина БЭСМ-6, вероятно, первый отечественный растровый дисплей, видеопамять на магнитном барабане весом 400 кГ;

 1972, Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ), векторный дисплей Символ;

 1973, ИАиЭ, векторный дисплей Дельта. Малая серия - 1974 Институт прикладной физики (ИПФ), Новосибирск. Серия - 1975, завод "Луч", Новосибирск;

 1977, ИАиЭ, векторный дисплей ЭПГ-400. Серия 1979;

 1979, ИПФ, цветной полутоновый растровый дисплей Гамма-1 - 256×256×6 бит;

 1981-1982, векторные дисплеи ЭПГ-СМ (ИАиЭ), ЭПГ-2СМ. Серия Серия 1983;

 1982, Киев, НИИ периферийного оборудования, векторный дисплей СМ-7316 (4000-6000 векторов, 4096 символов, разрешение 2048×2048);

 1982, ИПФ, растровый цветной полутоновый дисплей Гамма-2. 512×512×8 бит, таблица цветности, поддержка окон;

 1983, ИПФ, растровая цветная полутоновая дисплейная станция Гамма-4. 1024×768×8 бит, таблица цветности, поддержка окон, видеопамять 4 Мбайта, прокрутка изображения, плавное, переменное мастабирование. Серия 1985-1986;

 1984, ИПФ, растровое расширение символьных терминалов Гамма-5. 512×256×1 бит, прокрутка изображения. Серия 1984;

Итак, стартовав в 1950 г., компьютерная графика к настоящему времени прошла путь от экзотических экспериментов до одного из важнейших, всепроникающих инструментов современной цивилизации, начиная от научных исследований, автоматизации проектирования и изготовления, бизнеса, медицины, экологии, средств массовой информации, досуга и кончая бытовым оборудованием. Можно выделить следующие этапы развития:

 60-70-е годы - научная дисциплина. Бурное развитие методов, алгоритмов - отсечение, генерация примитивных графических элементов, закраска узорами, реалистическое представление сцен (удаление невидимых линий и граней, трассировка лучей, излучающие поверхности);

 80-е годы - прикладная наука. Отработка методов, средств, аппаратуры в различных сферах приложений;

  90-е годы - основное средство общения человека с ЭВМ.